由摩爾縮放實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)縮放受到電源和互連帶寬等資源稀缺的日益挑戰(zhàn)。 這在大數(shù)據(jù)與即時(shí)數(shù)據(jù)無(wú)縫交互的需求下變得更具挑戰(zhàn)性（圖MM-1）。 即時(shí)數(shù)據(jù)生成需要具有“始終在線”功能的超低功耗設(shè)備，同時(shí)需要能夠即時(shí)生成數(shù)據(jù)的高性能設(shè)備。 大數(shù)據(jù)需要豐富的計(jì)算、通信帶寬和內(nèi)存資源來(lái)生成客戶需要的服務(wù)和信息。

國(guó)際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖 (IRDS) 的 More Moore IFT (International Focus Team ) 提供了邏輯和內(nèi)存技術(shù)的物理、電氣和可靠性要求，以維持大數(shù)據(jù)、移動(dòng)和云（例如，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和服務(wù)器）應(yīng)用所需的功率、性能、面積、成本 (PPAC) 擴(kuò)展 。 對(duì)于主流/大批量制造 (HVM)，這是在 15 年的時(shí)間范圍內(nèi)完成的。

預(yù)計(jì)以下系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序會(huì)影響More Moore 邏輯技術(shù)：

一、移動(dòng)

• 異構(gòu)集成

• 邊緣計(jì)算

• 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (VR/AR)

• 人工智能增強(qiáng)邊緣計(jì)算和連接（手機(jī)、6G、蜂窩、物聯(lián)網(wǎng)、Wi-Fi、無(wú)線連接、智能相機(jī)和揚(yáng)聲器）以內(nèi)容豐富的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)任何數(shù)據(jù)、任何位置、最高速度和最低功率。

二、數(shù)據(jù)和 HPC 服務(wù)器——緩存集成、內(nèi)存、IO

• 企業(yè)/云中的 AI 加速器

• 編解碼器 ASIC - 24/7/365 連續(xù)運(yùn)行視頻和音頻（編解碼器），最短 5 年

• 網(wǎng)絡(luò) – 永遠(yuǎn)在線，500W 功率范圍

• 高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 芯片 – 自動(dòng)駕駛

• 用于 AI、圖形、HPC 的內(nèi)存和 IO 解決方案

三、新型計(jì)算結(jié)構(gòu)

• 神經(jīng)處理單元

• 精細(xì)間距 3D 堆疊

• 可重新配置的計(jì)算結(jié)構(gòu)

• 智能 2.5D 中介層

當(dāng)前的現(xiàn)狀

半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的主要部分用于數(shù)字邏輯，需要支持兩種器件類型的技術(shù)平臺(tái)：1) 高性能邏輯，2) 低功耗/高密度邏輯。 該技術(shù)平臺(tái)的主要考慮因素是速度、功率、密度、成本、容量和上市時(shí)間。 More Moore 路線圖提供了持續(xù)擴(kuò)展 MOSFET 的實(shí)現(xiàn)視圖，以便在降低功耗和成本以及大批量生產(chǎn)的情況下保持改進(jìn)器件性能的歷史趨勢(shì)。

以下應(yīng)用推動(dòng)了 IRDS 中解決的 More Moore 技術(shù)的要求：

• 高性能計(jì)算——在恒定功率密度下的更高性能（受熱限制）

• 移動(dòng)計(jì)算——以恒定的功耗（受電池限制）和成本提供更多性能和功能

• 自主傳感和計(jì)算 (IoT)——旨在減少泄漏和可變性

技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素包括以下重點(diǎn)項(xiàng)目：

• 邏輯技術(shù)

• 基本規(guī)則縮放

• 性能助推器

• 性能-功率-面積 (PPA) 縮放

• 3D集成

• 內(nèi)存技術(shù)

• DRAM 技術(shù)

• 閃存技術(shù)

• 新興的非易失性內(nèi)存 (NVM) 技術(shù)

更多摩爾目標(biāo)每 2-3 年為節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展帶來(lái) PPAC 價(jià)值：

• (P)performance：在標(biāo)定電源電壓下工作頻率提高 >10%

• (P)ower：在給定性能下，每次開關(guān)的能量減少 >20%

• (A)rea：芯片面積減少 >30%

• (C)ost：晶圓成本增加<30% – 微縮裸片的裸片成本減少15%。

系統(tǒng)擴(kuò)展考慮邏輯、內(nèi)存和 IO 解決方案的共同集成，帶來(lái)以下目標(biāo)：

• TOPS（每秒萬(wàn)億次操作）：吞吐量

• TOPS/W（每瓦 TOPS）：能效

• TOPSxTOPS/W/Area 是能源面積效率指標(biāo)（又名 EDP：?jiǎn)挝幻娣e的能源延遲產(chǎn)品）

• TOPSxTOPS/W/Area 的 2.0-2.4 倍縮放，用于每幀、每次推理、每次訓(xùn)練和/或每個(gè)pocket的節(jié)點(diǎn)縮放

這些縮放目標(biāo)推動(dòng)了該行業(yè)進(jìn)行多項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新，包括高κ柵極電介質(zhì)和應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)等材料和工藝變化，以及在不久的將來(lái)，全環(huán)柵 (GAA) 等新結(jié)構(gòu)；替代高遷移率通道材料，以及允許異構(gòu)堆疊/集成的新 3D 集成方案。 這些創(chuàng)新將被快速引入，因此及時(shí)理解、建模和實(shí)施制造對(duì)于該行業(yè)至關(guān)重要。

值得注意的是，成本指標(biāo)（芯片成本降低 15%）和每年都需要大量新產(chǎn)品的市場(chǎng)節(jié)奏正成為移動(dòng)和高性能計(jì)算行業(yè)中越來(lái)越重要的目標(biāo)。由于同時(shí)滿足嚴(yán)格要求所有品質(zhì)因數(shù) (FoM：figure-of-merits) 的應(yīng)用，有必要推進(jìn)一個(gè)有效的工藝技術(shù)列表，以將某些器件架構(gòu)維持到其極限，例如將 finFET 架構(gòu)推到 2025 年，同時(shí)確?？焖龠^(guò)渡到 gate-all around 器件，這將持續(xù)超過(guò)十年。這種方法還將有助于在從一個(gè)邏輯代轉(zhuǎn)移到另一個(gè)邏輯代時(shí)以降低的風(fēng)險(xiǎn)維持成本。

由于多個(gè)圖案化光刻步驟，當(dāng)晶圓加工成本隨著步驟數(shù)量的增加而變得更加昂貴時(shí)，這就變得更加困難。 然而，對(duì)于相同數(shù)量的晶體管，必須在每一代邏輯中將成本降低 15% 以上，這只能通過(guò)溝道材料、器件架構(gòu)、接觸工程（contact engineering）和器件隔離等新進(jìn)展實(shí)現(xiàn)間距縮放。 增加的工藝復(fù)雜性也必須考慮到整體die成品率。

為了補(bǔ)償復(fù)雜性的成本，需要加速設(shè)計(jì)效率以進(jìn)一步擴(kuò)大面積以達(dá)到die成本調(diào)整目標(biāo)。 這些設(shè)計(jì)引起的比例因子也在 ITRS 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)工作組的早期工作中觀察到，并被用作校準(zhǔn)因子以匹配行業(yè)的區(qū)域比例縮放趨勢(shì)。 設(shè)計(jì)比例因子現(xiàn)在被認(rèn)為是 More Moore 技術(shù)路線圖中的關(guān)鍵要素之一。

未來(lái)的預(yù)測(cè)

在IRDS More Moore 路線圖中，預(yù)測(cè)了以下內(nèi)容：

基本規(guī)則縮放預(yù)計(jì)將在 2028 年左右放緩并達(dá)到飽和。極紫外 (EUV) 技術(shù)將成為基本規(guī)則縮放的推動(dòng)者，同時(shí)控制成本并降低工藝復(fù)雜性。 預(yù)計(jì)到 2028 年之后，過(guò)渡到 3D 集成和使用Beyond CMOS 器件實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)的片上系統(tǒng) (SoC) 功能。

基本規(guī)則縮放需要與設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化 (DTCO) 結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以適應(yīng)面積縮減以及收緊限制整體 SoC 面積縮放的關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)則。

3D 集成的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)以更好地利用設(shè)備、互連和子系統(tǒng)，例如內(nèi)存、模擬和輸入/輸出 (I/O)。 寄生效應(yīng)改進(jìn)將成為 2022 年至 2028 年間節(jié)點(diǎn)性能改進(jìn)的主要旋鈕，例如引入低κ器件間隔器。

SiGe 和 2D 材料通道正變得越來(lái)越重要，以補(bǔ)充 Si 通道。

控制互連電阻、電遷移(EM) 和隨時(shí)間變化的介電擊穿(TDDB) 限制變得越來(lái)越困難。 由于 Cu 勢(shì)壘的非理想縮放導(dǎo)致較少的金屬化體積和表面和晶界界面處的散射增加，互連電阻現(xiàn)已進(jìn)入指數(shù)增加狀態(tài)。 因此，需要新的阻擋層材料、基于原子層沉積 (ALD) 的阻擋層沉積和/或非銅金屬化解決方案。 除了電阻可擴(kuò)展性之外，TDDB 還對(duì)給定低κ電介質(zhì)的相鄰線之間的最小空間施加了限制，從而迫使介電常數(shù)（κ 值）縮放速度變慢。

預(yù)計(jì)從 2022 年到 2037 年，六個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)于有線加載數(shù)據(jù)路徑平均會(huì)有所改善，其中大部分改進(jìn)發(fā)生在 2031 年左右從 3 個(gè) GAA 設(shè)備過(guò)渡到 4 個(gè) GAA 設(shè)備時(shí)。

預(yù)計(jì)從 2022 年到 2037 年跨越六個(gè)節(jié)點(diǎn)的片上系統(tǒng) (SoC) 級(jí)面積將有所改善，但節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的平均增幅小于 30%。

功率密度對(duì)縮放提出了重大挑戰(zhàn)，特別是由于 2031 年后的 3D 集成。因此，有必要在設(shè)備和架構(gòu)中考慮熱因素。

在節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，平均每次開關(guān)減少的能量預(yù)計(jì)將限制在 20% 以下。 這是縮放的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，因?yàn)殡娙莺碗娫措妷航档退俣葴p慢。

DRAM 需要保持足夠的存儲(chǔ)容量，并且需要足夠的單元晶體管性能來(lái)保持未來(lái)的保留時(shí)間特性。 如果與引入新技術(shù)相比，成本縮放的效率變差，DRAM 縮放將停止，并采用 3D DRAM 單元堆疊結(jié)構(gòu)。 或者，可以采用新的 DRAM 概念。

由于閾值電壓分布的可控性限制，二維閃存密度不能通過(guò)基于電荷的設(shè)備的持續(xù)縮放而無(wú)限增加。 通過(guò)垂直堆疊存儲(chǔ)層，閃存密度將繼續(xù)增加，從而導(dǎo)致采用 3D 閃存技術(shù)。 由于復(fù)雜處理增加的互連和良率損失導(dǎo)致的陣列效率下降是進(jìn)一步降低每比特成本效益的挑戰(zhàn)。目前，128層已經(jīng)量產(chǎn)，192 層和 256 層也是可能的。

鐵電RAM (FeRAM) 是一種快速、低功耗和低壓非易失性存儲(chǔ)器(NVM) 替代品，因此適用于射頻識(shí)別(RFID)、智能卡、ID 卡和其他嵌入式應(yīng)用。

處理難度限制了它的廣泛采用。 最近，提出了基于 HfO2的鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)，其鐵電性用于改變 FET 的閾值電壓 (Vt)，從而可以形成類似于 Flash 的 1T 單元。 如果開發(fā)成熟，這可以作為低功耗和非?？斓念愰W存記憶。

自旋轉(zhuǎn)移力矩磁RAM (STT-MRAM) 取代獨(dú)立的NAND Flash 似乎遙不可及 STT MRAM 現(xiàn)在大多不被視為獨(dú)立內(nèi)存，而是嵌入式內(nèi)存。 STT-MRAM 也將成為替代嵌入式閃存 (NOR) 的潛在解決方案。 這對(duì)于低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能特別有趣。 另一方面，對(duì)于其他使用更高存儲(chǔ)密度的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序，NOR Flash 預(yù)計(jì)將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位，因?yàn)樗匀痪哂懈叩某杀拘б?，并且能夠承受印刷電路?(PCB) 焊接過(guò)程（約 250°C）而不會(huì)丟失其預(yù)加載代碼。

3D cross內(nèi)存已被證明可用于存儲(chǔ)類內(nèi)存 (SCM)，以提高 I/O 吞吐量并降低功耗和成本。 由于包括選擇器器件的存儲(chǔ)器完全在后道工序 (BEOL) 工藝中制造，因此堆疊多層以降低位成本相對(duì)便宜。

高密度電阻式RAM (ReRAM) 的開發(fā)因缺乏良好的選擇器設(shè)備而受到限制，因?yàn)楹?jiǎn)單的二極管工作范圍有限。 然而，3D cross存儲(chǔ)器的最新進(jìn)展似乎已經(jīng)解決了這個(gè)瓶頸，如果其他技術(shù)問題（例如不穩(wěn)定位）得到解決，ReRAM 可能會(huì)取得快速進(jìn)展。

PCM 提供了良好的縮放軌跡，克服了諸如 RRAM 中的高可變性和 MRAM 中的低 Ron/Roff 比率等負(fù)擔(dān)。

嵌入式內(nèi)存與計(jì)算的更多融合有望通過(guò)將數(shù)據(jù)從內(nèi)存移至/從計(jì)算中移出而導(dǎo)致性能和能量損失，這就是所謂的內(nèi)存墻問題。 這將引入內(nèi)存計(jì)算 (CIM) 陣列，以在特定的邊緣 AI 應(yīng)用程序中發(fā)展。 CIM 陣列還將利用嵌入式 NVM 設(shè)備，這些設(shè)備可以集成到 BEOL 堆棧中，從而帶來(lái)更好的占地面積，從而提高 TOPS/mm2指標(biāo)。

眾所周知半導(dǎo)體行業(yè)的目標(biāo)是能夠繼續(xù)擴(kuò)展技術(shù)，以降低功耗和成本來(lái)提高整體性能。 組件和最終芯片的性能可以通過(guò)許多不同的方式來(lái)衡量：更高的速度、更高的密度、更低的功耗、外形尺寸的減少、物料清單的減少、更多的功能等。傳統(tǒng)上，尺寸縮放已經(jīng)足以帶來(lái)上述這些性能優(yōu)勢(shì)，但情況已不再如此。 處理模塊、工具、材料特性等對(duì)繼續(xù)擴(kuò)展提出了艱巨的挑戰(zhàn)。 我們已經(jīng)確定了這些困難的挑戰(zhàn)，并在表 MM-5 和表 MM-6 中進(jìn)行了總結(jié)。 這些挑戰(zhàn)分為近期的 2022-2028（表 MM-5）和長(zhǎng)期的 2029-2037（表 MM-6）。

邏輯技術(shù)，何去何從

More Moore 路線圖側(cè)重于有效的解決方案，以在縮放尺寸和縮放電源電壓下維持性能和功率縮放。 基本規(guī)則縮放推動(dòng)芯片成本降低。然而，這種縮放增加了總負(fù)載中寄生的部分，并帶來(lái)性能和功率縮放的規(guī)模收益遞減。 因此，有必要關(guān)注能夠縮放器件和互連寄生參數(shù)的技術(shù)縮放解決方案。

基本規(guī)則（Ground rule）縮放還需要啟用 DTCO 構(gòu)造以適應(yīng)面積減少以及收緊限制面積縮放的關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)則。 由于多重圖案化的成本上升和工藝復(fù)雜性，EUV 被用作以更少的工藝步驟對(duì)圖案緊密的基本規(guī)則進(jìn)行補(bǔ)救。 基本規(guī)則和設(shè)備架構(gòu)的預(yù)計(jì)路線圖如表 MM-7 所示。 基本規(guī)則的演變?nèi)鐖DMM-2所示。 不同代工廠和集成設(shè)備制造商 (IDM) 之間的節(jié)點(diǎn)命名尚未達(dá)成共識(shí)； 然而，預(yù)計(jì)的規(guī)則表明了符合 PPAC 要求的技術(shù)能力。 基本規(guī)則中的關(guān)鍵參數(shù)是柵極間距、金屬間距、鰭間距、柵極長(zhǎng)度和 3D 層堆疊能力，它們是核心邏輯區(qū)域縮放的重要因素。

僅靠基本規(guī)則縮放不足以縮放單元高度，我們有必要將設(shè)計(jì)比例因子付諸實(shí)踐。 例如，標(biāo)準(zhǔn)單元高度將通過(guò)縮放標(biāo)準(zhǔn)單元中有源器件的數(shù)量/寬度以及縮放輔助規(guī)則（例如尖端到尖端、擴(kuò)展、P-N 分離和最小面積規(guī)則）來(lái)進(jìn)一步降低。

類似地，可以通過(guò)關(guān)注關(guān)鍵設(shè)計(jì)規(guī)則（例如邊緣鰭處的鰭終止等）并啟用諸如 contact-over-active 等結(jié)構(gòu)來(lái)減小標(biāo)準(zhǔn)單元寬度。 此外，需要仔細(xì)選擇接觸結(jié)構(gòu)，以降低結(jié)處電流密度增加的風(fēng)險(xiǎn)。 預(yù)計(jì)在 2028 年后，P 和 N 設(shè)備可以相互堆疊，從而進(jìn)一步減少。

標(biāo)準(zhǔn)單元擴(kuò)展的趨勢(shì)如圖 MM-3 所示。

2031 年之后，2D 幾何縮放沒有空間，此時(shí)將需要使用順序/堆疊集成方法對(duì)電路和系統(tǒng)進(jìn)行 3D 超大規(guī)模集成 (VLSI)。 這是因?yàn)闆]有放置觸點(diǎn)的空間，而且柵極間距縮放和金屬間距縮放導(dǎo)致性能惡化。 由于靜電惡化，預(yù)計(jì)物理溝道長(zhǎng)度將在 12nm 左右飽和，而柵極間距減小為器件接觸保留足夠的寬度（~14nm），提供可接受的寄生效應(yīng)。間距縮放的這一缺點(diǎn)已通過(guò)雙柵極間距處理得到妥協(xié)，其中松間距設(shè)備用于高性能單元，而緊間距設(shè)備用于高密度單元。

3D VLSI 有望為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)帶來(lái) PPAC 收益，并為異構(gòu)和/或混合集成鋪平道路。這種 3D 集成的挑戰(zhàn)是如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，以更好地利用設(shè)備、互連和子系統(tǒng)，例如內(nèi)存、模擬和 I/O。 這就是為什么在 2031 年之后需要進(jìn)行功能擴(kuò)展和/或重大架構(gòu)更改的原因。Beyond CMOS 和專業(yè)技術(shù)設(shè)備/組件有望將系統(tǒng)擴(kuò)展到所需的單位功率密度和單位立方體的高系統(tǒng)性能。

為了在低電壓下保持微縮，近年來(lái)微縮專注于額外的解決方案以提高性能，例如使用向溝道引入應(yīng)變；壓力助推器（stress boosters）； 高κ金屬柵極； 降低接觸電阻，改善靜電。 這樣做是為了補(bǔ)償柵極驅(qū)動(dòng)損耗，同時(shí)需要降低高性能移動(dòng)應(yīng)用的電源電壓。

表 MM-8 顯示了設(shè)備架構(gòu)、關(guān)鍵模塊和性能提升器的路線圖概述：

直到 2025 年，F(xiàn)inFET 仍然是可以持續(xù)擴(kuò)展的關(guān)鍵器件架構(gòu)。靜電和鰭片減少（即增加鰭片高度，同時(shí)減少單位面積的鰭片數(shù)量）仍然是提高性能的兩種有效解決方案。 由于收緊設(shè)計(jì)規(guī)則，預(yù)計(jì)寄生效應(yīng)改進(jìn)將繼續(xù)作為性能改進(jìn)的主要旋鈕。

據(jù)預(yù)測(cè)，寄生效應(yīng)仍將是關(guān)鍵路徑的性能。 為了降低電源電壓，需要過(guò)渡到 GAA 結(jié)構(gòu)，例如橫向納米片，以通過(guò)改進(jìn)的靜電來(lái)維持柵極驅(qū)動(dòng)。 順序集成將允許通過(guò)采用單片 3D (M3D) 集成將設(shè)備堆疊在一起。 擴(kuò)展重點(diǎn)將從提高單線程性能轉(zhuǎn)向降低功耗，然后發(fā)展到高度并行的 3D 架構(gòu)，允許低 Vdd 操作和更多嵌入單位立方體體積的功能。有源區(qū)部分的擠壓將使其他設(shè)計(jì)規(guī)則成為設(shè)計(jì)縮放中的瓶頸，例如為電源軌預(yù)留的區(qū)域預(yù)計(jì)將通過(guò)器件接觸層下方的背面軌埋入，以將其分配給額外的單元內(nèi)布線。

在設(shè)備架構(gòu)發(fā)生變化的同時(shí)，后續(xù)模塊也有望不斷發(fā)展。 這些可能包括：溝道材料從 Si 演變?yōu)?SiGe、Ge、2D 材料； 接觸模塊從硅化物演變?yōu)樘峁└托ぬ鼗鶆?shì)壘高度 (SBH) 的新型材料，環(huán)繞式接觸集成方案可增加接觸表面積。

以下是這些方案的列表：

一、轉(zhuǎn)向新型架構(gòu)

如前所述，finFET 可能會(huì)持續(xù)到 2025 年。到 2022 年之后，預(yù)計(jì)將開始向橫向 GAA 器件過(guò)渡，并有可能演進(jìn)到涵蓋諸如 3D 混合邏輯存儲(chǔ)器應(yīng)用等應(yīng)用。 這種情況是由于鰭寬度縮放（飽和 Lgate 縮放以維持靜電控制）和接觸寬度的限制。 寄生電容損失、有效驅(qū)動(dòng)寬度 (Weff) 和替代金屬柵極 (RMG) 集成對(duì)采用 GAA 提出了挑戰(zhàn)。 器件架構(gòu)的預(yù)計(jì)演變?nèi)鐖D MM-4 所示。FinFET 和 GAA 架構(gòu)不僅導(dǎo)致完全耗盡的溝道，而且導(dǎo)致完全反轉(zhuǎn)的溝道（volume inversion）。 預(yù)計(jì)互補(bǔ) FET (CFET) 將是 3D 形式橫向 GAA 的后續(xù)發(fā)展，其中 P 器件將堆疊在 N 器件上。

二、起始襯底（Starting Substrate）

體硅仍將是主流襯底，而絕緣體上硅 (SOI) 和SRB (strain-relaxation-buffer) 將用于支持更好的隔離（例如，RF 協(xié)集成）和高遷移率的無(wú)缺陷集成溝道。

三、高移動(dòng)性溝道

Ge 和 III-V 等高遷移率材料有望通過(guò)提高本征遷移率一個(gè)數(shù)量級(jí)來(lái)增加驅(qū)動(dòng)電流。 隨著柵極長(zhǎng)度的縮放，由于速度飽和，遷移率對(duì)漏極電流的影響變得有限。另一方面，每當(dāng)柵極長(zhǎng)度進(jìn)一步縮小時(shí)，載流子傳輸就會(huì)變成彈道（ballistic）。 這允許載流子的速度，也稱為“注入速度”，隨著遷移率的增加而縮放。 由于較低的有效質(zhì)量，具有大部分彈道的漏極電流增加了注入速度，因此導(dǎo)致漏極電流的增加。

然而，高遷移率器件的低有效質(zhì)量實(shí)際上會(huì)在更高的電源電壓下導(dǎo)致高隧道電流。 這可能會(huì)降低 III-V 族器件在功函數(shù)調(diào)整（例如，閾值電壓增加）后的有效性能，以降低泄漏電流（Ioff）以補(bǔ)償隧道電流。

高遷移率溝道的另一個(gè)考慮因素是較低的密度狀態(tài)。 電流與通道中漂移速度和載流子濃度的乘積成正比。 這需要正確選擇柵極長(zhǎng)度 (Lg)、電源電壓 (Vdd) 和器件架構(gòu)，以便最大化這種倍增，其中這些參數(shù)的選擇將因所用溝道材料的類型而異。 這都需要整體解決。

高移動(dòng)性溝道很可能會(huì)以專用于高性能功能的 3D 堆疊層的形式出現(xiàn)，例如高速 IO、大電流模擬驅(qū)動(dòng)器、RF、光子器件、電源管理等，這不需要遵循積極的尺寸縮放。 在整個(gè)系統(tǒng)中改進(jìn)性能和啟用新功能需要權(quán)衡成本，這取決于對(duì)新工具和晶圓廠基礎(chǔ)設(shè)施的大量投資。

另一方面，增加采用高遷移率溝道的垂直堆疊納米片的數(shù)量可以在減少占地面積的情況下實(shí)現(xiàn)非常高的性能。

四、應(yīng)變工程

在過(guò)去十年中，應(yīng)變工程已被用作最有效的解決方案之一，如 32 納米節(jié)點(diǎn)和更早的節(jié)點(diǎn) 所示。 然而，這些壓力源的影響可能無(wú)法直觀地外推到較新的節(jié)點(diǎn)。 隨著柵極間距的縮小，源極/漏極外延 (S/D EPI) 接觸和應(yīng)變松弛緩沖器 (SRB) 上的 SiGe 仍然是有效的助推器，可在高遷移率溝道材料上將遷移率擴(kuò)大一倍以上. 用于 PMOS 的 SiGe 通道和用于 NMOS 的應(yīng)變 Si 通道已經(jīng)在使用 SRB [ 的 7nm CMOS 平臺(tái)和環(huán)柵器件上成功演示。

其他應(yīng)變工程技術(shù)還包括柵極應(yīng)力源和接地平面應(yīng)力源，它們采用 NMOS 的有益垂直應(yīng)力分量。 降低寄生器件電阻將源極/漏極串聯(lián)電阻控制在可容忍的范圍內(nèi)將變得越來(lái)越困難。 由于電流密度的增加，同時(shí)具有更小尺寸的更低電阻的需求提出了巨大的挑戰(zhàn)。

據(jù)估計(jì)，在當(dāng)前技術(shù)中，串聯(lián)電阻會(huì)使飽和電流降低 40% 或更多。 隨著柵極間距縮放，外部電阻對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的影響預(yù)計(jì)會(huì)變得更糟。此外，通過(guò)縮放增加互連電阻預(yù)計(jì)需要器件接觸的電阻值低得多。

為了最大限度地發(fā)揮高遷移率溝道在漏極電流中的優(yōu)勢(shì)，降低接觸電阻變得更加重要。硅化物觸點(diǎn)無(wú)法通過(guò)柵極間距縮放來(lái)保持所需的接觸電阻降低以及通過(guò)改進(jìn)驅(qū)動(dòng)來(lái)降低溝道電阻。 金屬-絕緣體-半導(dǎo)體 (MIS) 觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了一種有前途的減少，它利用金屬和半導(dǎo)體界面之間的超薄電介質(zhì)。 這降低了費(fèi)米能級(jí)釘扎，因此降低了肖特基勢(shì)壘高度 (SBH) 。 這種 SBH 減少是由于金屬感應(yīng)帶隙態(tài) (MIGS) 的指數(shù)衰減引起的，該指數(shù)衰減在電介質(zhì)的帶隙中引起電荷密度積累。

五、減少寄生器件電容

器件的柵極和源極/漏極端子之間的寄生電容預(yù)計(jì)會(huì)隨著技術(shù)規(guī)模的擴(kuò)大而增加。 事實(shí)上，每當(dāng)考慮標(biāo)準(zhǔn)單元上下文時(shí)，該組件變得比溝道電容相關(guān)的負(fù)載更重要，并且由于堆疊設(shè)備之間未使用的空間而在 GAA 結(jié)構(gòu)中甚至更高。 需要關(guān)注低 κ 間隔材料，甚至空氣間隔。 這些仍然需要為 S/D 接觸形成提供良好的可靠性和蝕刻選擇性 。

此外，通過(guò)增加器件高度（鰭片/納米片堆疊）來(lái)提高 finFET 或橫向 GAA 器件交流性能存在很大限制。 每個(gè)開關(guān)的能量與延遲關(guān)系似乎很快就會(huì)飽和，然后隨著器件高度的增加而下降。 關(guān)鍵寄生改進(jìn)的縮放趨勢(shì)如圖 MM-4 所示。

六、增加每個(gè)地方的驅(qū)動(dòng)器

如果在增加鰭片高度或堆疊 GAA 器件的數(shù)量的同時(shí)可以積極地縮放器件間距，F(xiàn)inFET 和橫向 GAA 器件可以在單位面積上實(shí)現(xiàn)更高的驅(qū)動(dòng)（通過(guò)在三維中啟用驅(qū)動(dòng)）。 這將增加單位封裝內(nèi)的驅(qū)動(dòng)力，但會(huì)在柵極和觸點(diǎn)之間的邊緣電容與串聯(lián)電阻之間產(chǎn)生折衷。 這種減少鰭片數(shù)量同時(shí)通過(guò)增加鰭片高度來(lái)平衡驅(qū)動(dòng)器的趨勢(shì)被定義為鰭片減少策略，它也同時(shí)降低了標(biāo)準(zhǔn)單元高度，因此也減少了整體芯片面積?；パa(bǔ) FET 將進(jìn)一步擴(kuò)展每個(gè)占位面積的驅(qū)動(dòng)器 在 N 上堆疊 P 設(shè)備，反之亦然。 這將大大增加單位占地面積上的設(shè)備數(shù)量。

七、改善靜電

FinFET 提供良好的靜電完整性，因?yàn)樗母哒瓬系烙扇齻?cè)的柵極控制，可以放寬鰭片厚度的縮放要求。結(jié)形成工程（Junction formation engineering）、EOT 縮放和Dit (density of interface traps) 減少是維持溝道中靜電控制的潛在解決方案。 LGAA 器件通過(guò)從器件通道的所有側(cè)面提供柵極控制，帶來(lái)比 finFET 更好的靜電特性。 由于器件相互堆疊，器件之間的間距需要保持較小，以減少源極/漏極和柵極之間的寄生電容，同時(shí)仍為柵極電介質(zhì)和 Vt 調(diào)節(jié)功函數(shù)金屬沉積留出足夠的空間。

八、改善設(shè)備隔離

除了靜電引起的溝道泄漏外，還有其他潛在的泄漏源，例如sub-fin泄漏或穿通（punchthrough）電流。 該漏電流從源極流過(guò)鰭片的底部到漏極。 由于 Ge 的有效質(zhì)量低，這在 SiGe 和 Ge 溝道中變得更成問題。 溝道下方的平面摻雜、電介質(zhì)隔離和量子阱可能會(huì)解決此泄漏問題； 因此改善靜電。

九、減少工藝和材料變化

減少可變性將進(jìn)一步允許電源電壓 (Vdd) 縮放。 控制溝道長(zhǎng)度和溝道厚度對(duì)于保持通道中的靜電非常重要。 例如，這需要控制鰭片的輪廓和光刻工藝，以降低 CD 均勻性 (CDU)、線寬粗糙度 (LWR) 和線邊緣粗糙度 (LER)。 無(wú)摻雜通道和低變化功函數(shù)金屬將減少閾值電壓的變化。隨著高遷移率材料的引入，需要柵疊層鈍化來(lái)減少與界面相關(guān)的變化并保持靜電和遷移率。

十、Beyond CMOS 的特定應(yīng)用功能和架構(gòu)

對(duì)于互補(bǔ)的 SoC 如如存儲(chǔ)器選擇器、交叉開關(guān)（cross-bar switch）等功能，MOSFET 縮放可能變得無(wú)效和/或成本非常高。全新的非 CMOS 類型的邏輯器件甚至可能是新的電路架構(gòu)是潛在的解決方案。

理想情況下，此類解決方案可以集成到基于 Si 的平臺(tái)上，以利用已建立的處理基礎(chǔ)設(shè)施，并能夠?qū)?Si 設(shè)備（例如存儲(chǔ)器）包含在同一芯片上。 即使是 Beyond CMOS 技術(shù)和/或計(jì)算的早期采用也可能在 2028 年左右被鐵電 FET、BEOL 氧化物晶體管、IGZO 和/或用于超低功率應(yīng)用的 2D 材料以及用于神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用的憶阻器采用。

預(yù)計(jì)路線圖邏輯核心器件的電氣規(guī)范列于表MM-9。此版本的More Moore路線圖包括More Moore 平臺(tái)器件的邏輯和模擬規(guī)范。 模擬規(guī)格源自邏輯器件的器件目標(biāo)，但這可能需要放寬同一晶圓上接觸的多晶硅間距，以允許更長(zhǎng)的溝道長(zhǎng)度。 還會(huì)有可靠性和匹配等考慮因素，其中需要降低性能目標(biāo)以努力滿足這些并發(fā)目標(biāo)，例如通過(guò)堆疊設(shè)備增加過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓。

晶體管的一個(gè)重要速度指標(biāo)是固有延遲 (CV/I)，其中 C 包括柵極電容加上柵極邊緣電容。 已發(fā)現(xiàn)這些邊緣電容大于溝道區(qū)域上的固有電容。 這需要對(duì)設(shè)備中的寄生組件進(jìn)行建模。 通道上的總邊緣電容與柵極電容的比率隨著縮放而增加。

為了捕獲線載數(shù)據(jù)路徑的行為以將設(shè)備參數(shù)連接到 SoC，我們使用基于環(huán)形振蕩器的電路模型，其中每個(gè)級(jí)都使用驅(qū)動(dòng)線載的 D4 反相器實(shí)現(xiàn)，其分支驅(qū)動(dòng)三個(gè) D4 反相器。

在此數(shù)據(jù)路徑模型中，每個(gè)階段的延遲由下面給出的 Elmore 表達(dá)式近似計(jì)算：

Tdel=0.69*Rdr*Cint + (0.69*Rdr+0.38*Rw)*Cw+0.69*(Rdr+Rw)*Cout

其中 Rdr 是驅(qū)動(dòng)器的電阻，Cint 是驅(qū)動(dòng)器輸出端的電容，Rw 是導(dǎo)線電阻，Cw 是導(dǎo)線電容，Cout 是由于柵極連接到負(fù)載而產(chǎn)生的負(fù)載電容。 對(duì)于超過(guò) 10nm 的邏輯技術(shù)，通常發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)項(xiàng)是 Rw*Cout。 這意味著如果互連的寄生電阻沒有改善和/或標(biāo)準(zhǔn)單元的寄生負(fù)載沒有減少，那么增加驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)度也無(wú)濟(jì)于事。

還可以使用目標(biāo)緊湊模型（例如虛擬源模型 (VSM)）提取電路級(jí)參數(shù)，例如延遲和每級(jí)功率，這是來(lái)自麻省理工學(xué)院的開源分布。 此建模的詳細(xì)信息以及互連如何在標(biāo)準(zhǔn)單元上下文中與設(shè)備耦合，我們可以在文章進(jìn)行了解釋。在表 MM-10 中，我們展現(xiàn)了 PPA 指標(biāo)的預(yù)計(jì)縮放以及標(biāo)準(zhǔn)單元和位單元布局特征（例如，活動(dòng)設(shè)備的數(shù)量、Weff 等） 。

由于線電阻對(duì)性能的負(fù)面影響，特別是在 2028 年之后，預(yù)計(jì)從 2022 年到 2037 年跨六個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能擴(kuò)展對(duì)于具有線負(fù)載的數(shù)據(jù)路徑會(huì)有溫和的增加。我們還考慮了線長(zhǎng)（Wirelength）減少作為面積縮放轉(zhuǎn)換的函數(shù)，以減少與導(dǎo)線相關(guān)的負(fù)載電容和電阻。 預(yù)計(jì) 2031 年之后，由于 3DVLSI，線長(zhǎng)將進(jìn)一步減少。

預(yù)計(jì)每次開關(guān)減少的能量將變得有限。 這主要是通過(guò)鰭片/器件減少來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這也使單元高度降低，從而帶來(lái)了導(dǎo)線和單元相關(guān)電容的縮放。 我們還認(rèn)為如 contact-over-active、單擴(kuò)散斷裂、N 和 P 之間的介電間隔等 DTCO 構(gòu)造，將進(jìn)一步減小標(biāo)準(zhǔn)單元寬度。 路由門（Routed gate）密度在 2028 年之前得到改善。在 2031 年之后，預(yù)計(jì)通過(guò)順序/堆疊集成（全尺寸 3DVLSI）進(jìn)行的 3D 擴(kuò)展將進(jìn)一步保持每單位立方體功能數(shù)量的擴(kuò)展。

由于標(biāo)準(zhǔn)單元和位單元密度在節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上有所提高，因此可以在給定的 SoC 封裝中集成更多功能。假設(shè)移動(dòng) SoC 集成的足跡會(huì)跨代增加，因?yàn)樾绿砑拥墓δ艹^(guò)了縮小的范圍。

因此，內(nèi)存數(shù)量以及圖形處理單元 (GPU) 處理器和神經(jīng)處理單元 (NPU) 分別遵循 SRAM 和標(biāo)準(zhǔn)單元的密度縮放，如果更多并行架構(gòu)的趨勢(shì)繼續(xù)下去。 另一方面，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的中央處理單元 (CPU) 數(shù)量是基于假設(shè)的節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)吞吐量縮放 1.7 倍來(lái)確定的。

換句話說(shuō)，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的改善較少將意味著需要更多的 CPU 才能達(dá)到吞吐量目標(biāo)。 由于 DTCO、橫向納米片的進(jìn)步，隨后是器件堆疊（例如 P-over-N）和 3D VLSI，相同功能的 SoC 足跡比例因子仍然可以保持。邏輯技術(shù)的集成能力顯示在圖 MM-6（NAND2 等效標(biāo)準(zhǔn)單元密度以及位單元密度的數(shù)量）

表MM-11給出了SoC的預(yù)計(jì)功率和性能擴(kuò)展。

由于增加的寄生效應(yīng)和有限的柵極驅(qū)動(dòng) (Vgs-Vt) 作為比例函數(shù)，預(yù)計(jì)時(shí)鐘頻率只會(huì)略有提高。 2028 年之后，堆疊器件數(shù)量的增加、低 k 材料和 3D-VLSI 有助于通過(guò) 3D 中的單元分割來(lái)減少線長(zhǎng)。 此外，如果芯片需要在恒定功率密度下運(yùn)行，熱（增加功率密度）約束會(huì)降低平均頻率。 基本上，如果不采取任何措施來(lái)緩解熱問題，則需要更頻繁地節(jié)流 CPU 以保持相同的功率密度。 由于電源電壓 (Vdd) 的放緩和電容縮放在路線圖末尾的放緩，功率降低的速度趨于平坦。 ITRS 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序技術(shù)工作組也討論了這種關(guān)于功率受限 CPU 吞吐量擴(kuò)展的觀點(diǎn)。 圖 MM-7 顯示了頻率、面積和能量方面的這些趨勢(shì)對(duì)面積效率性能 (TOPS/mm2) 和能效性能 (TOPS/W) 等系統(tǒng)指標(biāo)的影響。

互聯(lián)技術(shù)和3D異構(gòu)集成

互連線面臨的最大挑戰(zhàn)是引入滿足導(dǎo)線導(dǎo)電性要求、降低介電常數(shù)并滿足可靠性要求的新材料。至于導(dǎo)電性，必須減輕尺寸效應(yīng)對(duì)互連結(jié)構(gòu)的影響。 未來(lái)有效的 κ 要求排除了對(duì)雙鑲嵌結(jié)構(gòu)使用溝槽蝕刻停止。尺寸控制是當(dāng)前和未來(lái)幾代互連技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，由此產(chǎn)生的蝕刻困難挑戰(zhàn)是在低 κ 介電材料中形成精確的溝槽和通孔結(jié)構(gòu)，以降低電阻電容 (RC) 的可變性。用于集成的鑲嵌方案需要嚴(yán)格控制圖案、蝕刻和平面化。

為了獲得最大性能，互連結(jié)構(gòu)不能在不產(chǎn)生不希望的 RC 退化的情況下容忍配置文件的可變性。 這些尺寸控制要求對(duì)用于測(cè)量高縱橫比結(jié)構(gòu)的高通量成像計(jì)量提出了新的要求。 還需要新的計(jì)量技術(shù)來(lái)在線監(jiān)測(cè)附著力和缺陷。 更大的晶圓和限制測(cè)試晶圓的需求將推動(dòng)更多原位過(guò)程控制技術(shù)的采用。 表 MM-12 突出顯示并區(qū)分了最主要的挑戰(zhàn)，而表 MM-13 顯示了互連擴(kuò)展路線圖。

一、導(dǎo)體

預(yù)計(jì)銅 (Cu) 仍將是互連金屬的首選解決方案，至少到 2028 年仍是如此。而非銅解決方案（例如 Co 和 Ru）預(yù)計(jì)將用于局部互連 (M0)。 另一方面，由于電遷移的限制，局部互連（中間線 (MOL)）、M1 和 Mx 層將嵌入非銅解決方案，例如鈷 (Co)，特別是對(duì)于通孔，由于它具有更好的集成窗口，可以在 EM 性能之上填充狹窄的溝槽，并且與縮放尺寸的 Cu 相比，它具有更低的電阻。 盡管由于 Cu 中的電子散射或非 Cu 溶液（例如 Co）中較高的體電阻率導(dǎo)致的電阻率增加已經(jīng)很明顯，但是分層布線方法（例如線長(zhǎng)度與寬度的比例縮放）仍然可以克服該問題。

二、阻隔金屬

Cu 布線阻擋材料必須防止 Cu 擴(kuò)散到相鄰的電介質(zhì)中，而且還必須與 Cu 形成合適的高質(zhì)量界面以限制空位擴(kuò)散并實(shí)現(xiàn)可接受的電遷移壽命。 Ta(N) 是一種眾所周知的工業(yè)解決方案。 盡管等離子氣相沉積 (PVD) 沉積的 Ta(N) 的縮放比例有限，但可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積 (CVD) 或原子層沉積 (ALD) 沉積的其他氮化物，例如 Mn(N)，最近引起了人們的關(guān)注。 至于新興材料，自組裝單分子層（SAM）被研究為下一代的候選材料。

三、金屬間電介質(zhì) (IMD)

由于可制造性問題，IMD κ 值的降低正在放緩。 低 k 材料較差的機(jī)械強(qiáng)度和粘附性能阻礙了它們的結(jié)合。 CMP 過(guò)程中的分層和損壞是開發(fā)早期的主要問題，但對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)，還必須達(dá)到承受組裝和封裝過(guò)程中施加的應(yīng)力所需的硬度和粘合性能。 與高度多孔的超低 κ (κ ≤ 2) 材料集成相關(guān)的困難變得更加明顯，氣隙（air-gap）技術(shù)是降低層間電容的替代途徑。 作為新興材料，金屬有機(jī)骨架（MOF：metal organic framework）和碳有機(jī)骨架（COF：carbon organic framework）可以提倡。

四、可靠性——電遷移

在路線圖的早期版本中已經(jīng)建立了一個(gè)有效的縮放模型，其中假設(shè)空隙位于互連線的陰極端，該互連線包含單個(gè)過(guò)孔，其漂移速度由界面擴(kuò)散決定。該模型預(yù)測(cè)壽命與 w 成比例 *h/j，其中 w 是線寬（或通孔直徑），h 是互連厚度，j 是電流密度。

盡管幾何模型預(yù)測(cè)每一代新產(chǎn)品的壽命都會(huì)減少一半，但它也會(huì)受到互連尺寸的微小工藝變化的影響。 Jmax（最大等效直流電流密度）和 JEM（電遷移極限處的直流電流密度）受互連幾何形狀的限制縮放。 由于互連橫截面的減小和最大工作頻率的增加，Jmax 隨著縮放而增加。

在過(guò)去幾年中，人們積極討論了克服窄線寬壽命縮短的實(shí)際解決方案。 最近的研究表明，晶粒結(jié)構(gòu)在促進(jìn)漂移速度以及 45 納米節(jié)點(diǎn)以外的 EM 可靠性方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。 具有 Cu 合金種子層（例如，Al 或 Mn）的工藝解決方案已被證明是延長(zhǎng)使用壽命的最佳方法。 其他方法是插入薄金屬層（例如，CoWP 或 CVD Co）在 Cu 溝槽和電介質(zhì) SiCN 勢(shì)壘之間以及短長(zhǎng)度效應(yīng)的使用。 短長(zhǎng)度效應(yīng)已有效地用于擴(kuò)展導(dǎo)線的載流能力，并主導(dǎo)了互連的電流密度設(shè)計(jì)規(guī)則。

五、可靠性——隨時(shí)間變化的介電擊穿

基本上，介電可靠性可以根據(jù)故障路徑和機(jī)制進(jìn)行分類，如圖 MM-8 所示。 雖然已經(jīng)確定了大量因素和機(jī)制，但物理理解還遠(yuǎn)未完成。 例如，在直接影響 Vmax（或最小電介質(zhì)間距）估計(jì)的 TDDB 壽命建模中，有必要正確考慮 LER、電壓依賴性等。

在討論完互聯(lián)帶來(lái)的挑戰(zhàn)以后，3D異構(gòu)集成又是我們關(guān)注的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

每個(gè)邏輯工藝都需要添加新功能以保持單價(jià)不變（以保持利潤(rùn)率）。 但由于以下挑戰(zhàn)，這變得越來(lái)越困難：

留在板上/系統(tǒng)上以共同集成的功能更少

按功能專門化的異構(gòu)內(nèi)核——每個(gè)專用內(nèi)核都需要專門的性能改進(jìn)要求

封裝外存儲(chǔ)器——與邏輯共同集成的成本很高，技術(shù)與基線 CMOS 不兼容（可能需要晶圓/芯片級(jí)堆疊）

到目前為止，通過(guò)同時(shí)縮放柵極間距、金屬間距和單元高度縮放，已經(jīng)能夠降低芯片成本。 預(yù)計(jì)這將持續(xù)到 2028 年，這將伴隨著細(xì)間距 3D 堆疊組裝，例如 ubump 堆疊和混合鍵合 。

3D 器件（例如，finFET、橫向 GAA 和 CFET）和 DTCO 構(gòu)造在單元和物理設(shè)計(jì)中可能會(huì)追求單元高度縮放。然而，由于電氣/系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的減少以及 SoC 級(jí)面積減少/成本的減少，預(yù)計(jì)這種縮放路線將面臨更大的挑戰(zhàn)。因此，有必要尋求 3D 集成路線，例如器件堆疊、細(xì)間距層轉(zhuǎn)移和/或單片 3D（或順序集成）。這些追求將保持系統(tǒng)性能和功率增益，同時(shí)可能保持成本優(yōu)勢(shì)，例如在其他地方處理昂貴的非縮放組件并使用適合每層功能的最佳技術(shù)。

3D 堆疊路線應(yīng)考慮已知良好的die分類和測(cè)試方法，以提高堆疊良率，其中由于測(cè)試和晶圓分類挑戰(zhàn)，晶圓到晶圓堆疊需要對(duì)每個(gè)堆疊晶圓進(jìn)行非常高的良率工藝。 在裸片堆疊中添加更多異質(zhì)性需要仔細(xì)規(guī)劃層的劃分方式，例如在邏輯裸片之上放置較小的 I/O 裸片將需要邏輯裸片中的大量 2D 布線以扇入來(lái)自相應(yīng)邏輯塊的連接邏輯層到上面 IO 層中的 I/O。此路由本身會(huì)在邏輯層中引入一些面積損失?？傮w權(quán)衡還應(yīng)包括組裝/堆疊良率和額外的晶圓工藝步驟，例如TSV、晶圓減薄、Cu 墊/uBump 處理。

3DVLSI 可以在柵極或晶體管級(jí)布線。 3DVLSI 提供了堆疊層的可能性，從而在層級(jí)實(shí)現(xiàn)高密度接觸（每平方毫米高達(dá)數(shù)百萬(wàn)個(gè)通孔）。 由于導(dǎo)線長(zhǎng)度的減少，柵極級(jí)別的分區(qū)允許 IC 性能提高，同時(shí)通過(guò)在 pFET 上堆疊 nFET（或相反）在晶體管級(jí)別進(jìn)行分區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)兩種類型晶體管的獨(dú)立優(yōu)化（通道材料/基板方向的定制實(shí)現(xiàn)） /溝道和升高的源/漏應(yīng)變等），同時(shí)與平面協(xié)同集成相比能夠降低工藝復(fù)雜性，例如在 SiGe pFET 之上堆疊 III-V nFET。 這些高遷移率晶體管非常適合 3DVLSI，因?yàn)樗鼈兊墓に嚋囟缺緛?lái)就很低。

3DVLSI 具有高接觸密度，還可以實(shí)現(xiàn)需要與高密度 3D 通孔進(jìn)行異構(gòu)協(xié)同集成的應(yīng)用，例如用于氣體傳感或高度微型化成像器的帶有 CMOS 的 NEMS。 集成器件堆疊器件（例如 N 上的 P 器件）以解耦溝道工程（例如 PMOS 的 Ge 溝道）以獲得更好的性能的勢(shì)頭很大。 然而，通過(guò)自由選擇更好的襯底實(shí)現(xiàn)的更高層的更好性能應(yīng)該考慮到與最底層的設(shè)備相比，由于在較低的溫度預(yù)算下處理它們而導(dǎo)致的潛在性能下降。

為了解決從 2D 到 3DVLSI 的過(guò)渡，路線圖中計(jì)劃了以下幾代產(chǎn)品：

? Die-to-wafer和wafer-to-wafer堆疊（表 MM-15）

方法：細(xì)間距電介質(zhì)/混合鍵合和/或倒裝芯片組裝

機(jī)遇：減少系統(tǒng)材料清單、異構(gòu)集成、高帶寬和邏輯上的低延遲內(nèi)存

挑戰(zhàn)：設(shè)計(jì)/架構(gòu)分區(qū)、配電網(wǎng)絡(luò)、熱

? Device-on-device（例如，P-over-N 堆疊）

方法：順序集成

機(jī)會(huì)：減少標(biāo)準(zhǔn)單元和/或位單元的 2D 足跡

挑戰(zhàn)：最小化互連開銷是 N&P 實(shí)現(xiàn)低成本的關(guān)鍵

? 添加邏輯 3D SRAM 和/或 MRAM 堆棧（嵌入式/堆棧）

方法：順序集成和/或晶圓轉(zhuǎn)移

機(jī)會(huì)：2D 面積增益，邏輯和內(nèi)存之間更好的連接，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)延遲增益。

挑戰(zhàn)：如果使用堆疊方法，解決較低層互連的熱預(yù)算，重新審視高速緩存層次結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序要求、電源和時(shí)鐘分配

? 添加模擬和 I/O o 方法：順序集成和/或晶圓轉(zhuǎn)移

機(jī)會(huì)：為設(shè)計(jì)師提供更多自由并允許整合高流動(dòng)性渠道，將非縮放組件推到另一層、IP 重用、可擴(kuò)展性、高級(jí) IO 電壓支持節(jié)點(diǎn)

挑戰(zhàn)：熱預(yù)算、可靠性要求、電源和時(shí)鐘分配

? True-3D VLSI：集群功能堆棧

方法：順序集成和/或晶圓轉(zhuǎn)移

機(jī)會(huì)：除了 CMOS 替代之外的補(bǔ)充功能，例如神經(jīng)形態(tài)、高帶寬存儲(chǔ)器或包含有利于 3D 的新數(shù)據(jù)流方案的純邏輯應(yīng)用程序連接。 應(yīng)用示例包括神經(jīng)形態(tài)結(jié)構(gòu)中的圖像識(shí)別、寬 IO 傳感器接口（例如 DNA 測(cè)序、分子分析）和高度并行的內(nèi)存中邏輯計(jì)算。

挑戰(zhàn)：構(gòu)建低功耗低頻和高度并行接口的應(yīng)用程序可以利用，將應(yīng)用程序映射到非馮·諾依曼架構(gòu)。

在邏輯縮放的過(guò)程中，我們還需要考量到缺陷要求和設(shè)備可靠性。

首先看前者，More Moore縮放需要增加金屬化層的數(shù)量，如果圖案技術(shù)沒有進(jìn)步，我們需要增加掩模數(shù)量。 從 193i 光刻到 EUV 的預(yù)期過(guò)渡將有可能節(jié)省掩模。 然而，由于 3D 集成的前端 (FEOL) 和中線 (MOL) 集成對(duì)金屬化和重復(fù)掩模的需求增加，預(yù)計(jì)掩模數(shù)量將在 2031 年之后增加。 這反過(guò)來(lái)會(huì)增加工藝的復(fù)雜性，從而增加缺陷率 (D0) 的要求。 所需的 D0 水平預(yù)計(jì)會(huì)顯著降低（表 MM-16）。

再看后者。

可靠性是幾乎所有集成電路用戶的重要要求。 由于 (1) 縮放，(2) 新材料和設(shè)備，(3) 要求更高的任務(wù)配置文件（更高的溫度、極端壽命、高電流），以及 (4) 越來(lái)越多的限制，實(shí)現(xiàn)所需可靠性水平的挑戰(zhàn)正在增加時(shí)間和金錢。

與此同時(shí)，由于需要在短時(shí)間內(nèi)引入多項(xiàng)重大技術(shù)變革，這些可靠性挑戰(zhàn)將變得更加嚴(yán)峻。 變化之間的相互作用會(huì)增加理解和控制故障模式的難度。此外，必須同時(shí)處理幾個(gè)主要問題會(huì)占用有限的可靠性資源。

可靠性要求高度依賴于應(yīng)用。 對(duì)于大多數(shù)客戶而言，盡管大規(guī)模技術(shù)變革存在固有的可靠性風(fēng)險(xiǎn)，但在未來(lái) 15 年內(nèi)仍需要保持當(dāng)前的總體芯片可靠性水平（包括封裝可靠性）。 但是，也有一些利基市場(chǎng)需要提高可靠性水平。 需要更高可靠性級(jí)別、更惡劣環(huán)境和/或更長(zhǎng)使用壽命的應(yīng)用比主流辦公和移動(dòng)應(yīng)用更難。 請(qǐng)注意，由于縮放，恒定的整體芯片可靠性水平需要每個(gè)晶體管的可靠性不斷提高。 滿足可靠性規(guī)范是一項(xiàng)關(guān)鍵的客戶要求，未能滿足可靠性要求可能是災(zāi)難性的。

一、器件可靠性難題

表 MM-14 列出了近期最主要的可靠性挑戰(zhàn)。 第一個(gè)近期可靠性挑戰(zhàn)涉及與 MOS 晶體管相關(guān)的故障機(jī)制。故障可能是由于柵極電介質(zhì)的擊穿或器件參數(shù)（如閾值電壓和漏電流）的退化超出可接受的限度而引起的。 失敗時(shí)間隨著擴(kuò)展而減少。根據(jù)電路的不同，可能需要多次軟擊穿才能產(chǎn)生 IC 故障，或者電路可能會(huì)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，直到初始退化點(diǎn)發(fā)展為“硬”故障。 與閾值電壓相關(guān)的故障主要與在反轉(zhuǎn)狀態(tài)下的 p 溝道晶體管中觀察到的負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性和 n 溝道晶體管中類似的正偏置溫度不穩(wěn)定性有關(guān)。 增強(qiáng)最終產(chǎn)品可靠性的老化選項(xiàng)可能會(huì)受到影響，因?yàn)樗赡軙?huì)加速負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性 (NBTI) 變化。

IC 用于各種不同的應(yīng)用。 有一些特殊應(yīng)用對(duì)可靠性特別具有挑戰(zhàn)性。首先，在某些應(yīng)用中，環(huán)境使 IC 承受的壓力比典型的消費(fèi)或辦公應(yīng)用中的壓力大得多。例如，汽車、軍事和航空航天應(yīng)用使 IC 承受極端溫度和沖擊。此外，航空和天基應(yīng)用也有更惡劣的輻射環(huán)境。 再者，基站等應(yīng)用要求 IC 在高溫下連續(xù)工作數(shù)十年，這使得加速測(cè)試的使用受到限制。

其次，有重要的應(yīng)用（例如，植入式電子、安全系統(tǒng)），其中 IC 故障的后果比主流 IC 應(yīng)用大得多。 一般來(lái)說(shuō)，按比例縮小的 IC 不太“穩(wěn)健”，這使得滿足這些特殊應(yīng)用的可靠性要求變得更加困難。 存儲(chǔ)器、能量收集和能量存儲(chǔ)設(shè)備表現(xiàn)出它們特定的退化模式，這可能與晶體管的退化模式有很大不同，特別是突然擊穿而沒有預(yù)先退化的跡象。 神經(jīng)形態(tài)和量子計(jì)算等新的計(jì)算范式對(duì)設(shè)備特性的穩(wěn)定性/漂移提出了額外的要求。

可靠性工程的核心是每個(gè)故障機(jī)制的壽命分布。 對(duì)于低故障率要求，我們對(duì)故障時(shí)間分布的早期范圍感興趣。隨著縮放（例如，摻雜原子的分布、化學(xué)機(jī)械拋光 (CMP) 變化和線邊緣粗糙度），工藝可變性有所增加。 同時(shí)，關(guān)鍵缺陷的尺寸隨著縮放而減小。 這些趨勢(shì)將轉(zhuǎn)化為故障分布的時(shí)間分布增加，從而導(dǎo)致首次故障時(shí)間縮短。 我們需要開發(fā)可靠性工程軟件工具（例如，屏幕、資格和可靠性感知設(shè)計(jì)）來(lái)處理設(shè)備物理特性可變性的增加，并實(shí)施嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析以量化可靠性預(yù)測(cè)的不確定性。

使用 Weibull 和對(duì)數(shù)正態(tài)統(tǒng)計(jì)分析故障可靠性數(shù)據(jù)已經(jīng)很成熟，但是，不斷縮小的可靠性裕度需要更加仔細(xì)地關(guān)注統(tǒng)計(jì)置信區(qū)間，以便量化風(fēng)險(xiǎn)。由于新的故障物理機(jī)制（例如相關(guān)缺陷生成）可能導(dǎo)致與 Weibull 分布的顯著偏差，從而使錯(cuò)誤分析變得不直接，這使情況變得復(fù)雜。 偏置溫度不穩(wěn)定性 (BTI) 和熱載流子退化等幾個(gè)可靠性過(guò)程的統(tǒng)計(jì)分析目前在實(shí)踐中尚未標(biāo)準(zhǔn)化，但可能需要對(duì)電路故障率進(jìn)行準(zhǔn)確建模。

單一的長(zhǎng)期可靠性困難挑戰(zhàn)涉及設(shè)備、結(jié)構(gòu)、材料和應(yīng)用中新穎的、顛覆性的變化。 對(duì)于此類顛覆性解決方案，目前幾乎沒有（如果有的話）可靠性知識(shí)（至少就它們?cè)?IC 中的應(yīng)用而言）。 這將需要付出大量努力來(lái)調(diào)查、建模（壽命分布的統(tǒng)計(jì)模型和壽命如何取決于應(yīng)力、幾何形狀和材料的物理模型），并應(yīng)用所獲得的知識(shí)（新的內(nèi)置可靠性、設(shè)計(jì)可靠性） 、屏幕和測(cè)試）。 開發(fā)這些新的可靠性能力的時(shí)間和金錢似乎也可能少于歷史記錄。因此，破壞性材料或設(shè)備會(huì)導(dǎo)致可靠性能力的破壞，并且需要大量資源來(lái)開發(fā)這些能力。

二、設(shè)備可靠性潛在解決方案

滿足要求的最有效方法是在每一代新技術(shù)的開發(fā)開始時(shí)提供完整的內(nèi)置可靠性和可靠性設(shè)計(jì)解決方案。這將能夠找到最佳的可靠性/性能/功率選擇，并能夠設(shè)計(jì)出始終具有足夠可靠性的制造工藝。 不幸的是，如今這些能力存在嚴(yán)重差距，而且這些差距在未來(lái)可能會(huì)變得更大。 懲罰將是可靠性問題的風(fēng)險(xiǎn)增加和推動(dòng)性能、成本和上市時(shí)間優(yōu)化的能力降低。

人們普遍認(rèn)為，最終的納米級(jí)設(shè)備從一開始就具有高度的變異性和高比例的非功能性設(shè)備。 這被視為納米級(jí)設(shè)備的固有特性。 因此，設(shè)計(jì)人員將不再可能考慮“最壞情況”的設(shè)計(jì)窗口，因?yàn)檫@會(huì)嚴(yán)重危害電路的性能。因此，為了解決這個(gè)問題，需要對(duì)電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行徹底的范式改變。

雖然我們還沒有做到這一點(diǎn)，但可變性的增加顯然已經(jīng)是一個(gè)可靠性問題，正在考驗(yàn)大多數(shù)制造商的能力。 這是因?yàn)榭勺冃越档土藟勖A(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，迫使測(cè)試的設(shè)備數(shù)量急劇增加。 可變性和可靠性之間的耦合正在擠壓擴(kuò)展的好處。

在某個(gè)時(shí)候，也許在路線圖結(jié)束之前，確保大型集成電路中的每一個(gè)晶體管都在規(guī)格范圍內(nèi)運(yùn)行的成本可能會(huì)變得太高而不實(shí)用。 因此，可能需要改變?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的基本理念。 這個(gè)概念被稱為彈性，即應(yīng)對(duì)壓力和災(zāi)難的能力。

一種可能的解決方案是在電路中集成所謂的解決方案和監(jiān)視器，這些電路是感測(cè)性能即將耗盡的電路部件，然后在運(yùn)行期間可以改變電路的偏置。 需要進(jìn)一步探索和開發(fā)此類解決方案。 最終，將需要能夠動(dòng)態(tài)重新配置自身以避免故障和故障設(shè)備（或更改/改進(jìn)功能）的電路。

由于新材料的激增，可靠性評(píng)估變得越來(lái)越復(fù)雜； 調(diào)整到各種具體應(yīng)用； 以及更短的工藝開發(fā)周期，可以通過(guò)更多地使用基于物理的微觀可靠性模型在一定程度上得到緩解，這些模型與材料結(jié)構(gòu)模擬相關(guān)聯(lián)，并考慮原子級(jí)的退化過(guò)程。 這種模型的需求正在慢慢得到更廣泛的認(rèn)可，它將減少我們對(duì)統(tǒng)計(jì)方法的依賴。

如上所述，這種方法既昂貴又耗時(shí)。 這些模型可以提供額外的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兛梢韵鄬?duì)容易地集成到緊湊的建模工具中，并且在應(yīng)用于特定產(chǎn)品之前只需要進(jìn)行有限的校準(zhǔn)。

一些小的變化可能已經(jīng)在悄然發(fā)生。 第一步可能只是微調(diào)可靠性要求以削減多余的余量，甚至可能具有特定于產(chǎn)品的可靠性規(guī)范。 更復(fù)雜的方法涉及容錯(cuò)設(shè)計(jì)、容錯(cuò)架構(gòu)和容錯(cuò)系統(tǒng)。 這方面的研究大大增加。 然而，器件可靠性與系統(tǒng)可靠性之間的差距非常大。 強(qiáng)烈需要進(jìn)行設(shè)備可靠性調(diào)查以解決對(duì)電路的影響。 最近增加使用電路，例如SRAM 和環(huán)形振蕩器著眼于許多已知器件的可靠性問題是一個(gè)好兆頭，因?yàn)樗瑫r(shí)解決了電路靈敏度以及可變性的問題。

我們需要更多的設(shè)備可靠性研究來(lái)解決電路和系統(tǒng)方面的問題。 例如，大多數(shù)設(shè)備可靠性研究都是基于準(zhǔn)直流測(cè)量。 目前還沒有關(guān)于電路運(yùn)行速度下退化對(duì)器件影響的大量研究。 這種測(cè)量速度上的差距使得對(duì)器件退化對(duì)電路性能的影響進(jìn)行建模變得困難且具有風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，我們必須滿足常規(guī)的可靠性要求。 這意味著深入了解每個(gè)故障機(jī)制的物理學(xué)和強(qiáng)大實(shí)用的可靠性工程工具的開發(fā)。 從歷史上看，在新一代技術(shù)開始生產(chǎn)之前需要很多年（通常是十年）才能開發(fā)所需的功能（研發(fā)是在表征故障模式、推導(dǎo)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的預(yù)測(cè)模型以及開發(fā)可靠性和可靠性 TCAD 工具設(shè)計(jì)方面進(jìn)行的） 鑒定技術(shù)的能力有所提高，但仍存在顯著差距。

可靠性能力的趕超需要可靠性研發(fā)應(yīng)用的大幅增加和在比歷史時(shí)間尺度短得多的時(shí)間內(nèi)獲得所需能力的聰明之處。 需要針對(duì)每種故障機(jī)制開發(fā)快速表征技術(shù)、驗(yàn)證模型和設(shè)計(jì)工具。 新材料（如備用溝道材料）的影響需要特別注意。 開發(fā)可靠性工具的設(shè)計(jì)可能需要取得突破，這些工具可以在合理的時(shí)間內(nèi)對(duì)大部分 IC 進(jìn)行高保真度仿真。 如上所述，還需要增加可靠性資源來(lái)應(yīng)對(duì)短時(shí)間內(nèi)引入的大量重大技術(shù)變革。

需求顯然很多，但一個(gè)具體的需求是最佳可靠性評(píng)估方法，該方法將提供相關(guān)的長(zhǎng)期退化評(píng)估，同時(shí)避免可能產(chǎn)生誤導(dǎo)結(jié)果的過(guò)度加速測(cè)試。 這種需求是由工藝裕度的降低和可變性的增加驅(qū)動(dòng)的，這大大降低了標(biāo)準(zhǔn)樣本量的壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。 同時(shí)對(duì)大量設(shè)備施加應(yīng)力的能力是非常可取的，特別是對(duì)于長(zhǎng)期可靠性表征。 以可管理的成本做到這一點(diǎn)是一項(xiàng)非常難以應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)，并且隨著我們遷移到更先進(jìn)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)而變得越來(lái)越難。 解決這個(gè)問題急需突破測(cè)試技術(shù)。

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